IDENTYFIKACJA USZKODZEŃ ELEMENTÓW WIELKOPŁYTO- WYCH W ASPEKCIE OCENY BEZPIECZEŃSTWA EKSPLOATACYJNEGO BUDYNKU

Transkrypt

1 dr hab. inŝ. Wiesław LIGĘZA, Prof. PK, mgr inŝ. Jacek DĘBOWSKI, Politechnika Krakowska IDENTYFIKACJA USZKODZEŃ ELEMENTÓW WIELKOPŁYTO- WYCH W ASPEKCIE OCENY BEZPIECZEŃSTWA EKSPLOATACYJNEGO BUDYNKU IDENTIFICATION OF DAMAGES OF PANELBUILDINGS ELEMENTS IN ASPECT OF OPINION OF EXPLOITATIVE SAFETY Streszczenie Budynki wykonane w technologii wielkopłytowej, po kilkudziesięciu latach ich eksploatacji, wykazują niekiedy znaczny stopień zuŝycia, a zarazem niską wartość uŝytkową. Dlatego teŝ, większość z nich musi zostać zmodernizowana z uwagi na współczesne wymagania i zapotrzebowanie rynku. Modernizacja ta powinna jednak zostać połączona z analizą występujących uszkodzeń w aspekcie bezpieczeństwa eksploatacyjnego, a przede wszystkim z weryfikacją planowanych prac naprawczych pod kątem konstrukcyjnym i ekonomicznym. W artykule tym, na podstawie badań przeprowadzonych na teranie miasta Krakowa, przedstawiono zakres występowania, rodzaj i stopień uszkodzeń, ocenę przyczyn ich powstania, a takŝe moŝliwości oceny bez badań in situ. Abstract The buildings in the panelbuilding technologies, tens summers their exploitation, they show the sometimes considerable degree of waste, and so at present low usable value. Therefore and because of the present requirements and market demands the majority of such buildings has been already modernized or has to be modernized soon. However this modernization should be connected first of all with the verification of repair works planned in the building from the constructional and economical point of view and also with the analysis of damages in the aspect of exploitational safety. On the basis of researches conducted in Cracow the range of damages occurrence, possibilities of their estimation and also verifications of causes of of opinion without investigations in sieve. 1. Wprowadzenie Współczesne wymagania uŝytkowe i zapotrzebowanie rynku mieszkaniowego doprowadziły do podjęcia modernizacji starzejącej się substancji mieszkaniowej w istniejących budynkach prefabrykowanych. Powinna ona być realizowana zarówno w zakresie poprawy rozwiązań architektoniczno-funkcjonalnych, jak równieŝ w zakresie trwałości po dociepleniu budynków. W krajach zachodnich proces ten przyjął formę programów rządowych, natomiast w Polsce został objęty wyłącznie Rządowym programem wspierania inwestycji energooszczędnych w zakresie docieplenia, wkomponowanym w mechanizm gospodarki rynkowej[2]. Przy planowaniu modernizacji budynków wielkopłytowych konieczne jest rozpoznanie: czy konstrukcja budynku spełnia współczesne wymagania w zakresie stanów granicznych nośności i uŝytkowalności, czy wykonawstwo budowlane było zgodne z załoŝeniami projektowymi i czy nie wystąpiły istotne wady wykonawcze wpływające na bezpieczeństwo. 741

2 Budynki wielkopłytowe w Polsce projektowane i wznoszone były na podstawie doświadczeń zagranicznych i krajowych, a syntezę wiedzy w tym zakresie zawierają monografie profesora B. Lewickiego [3,4,5]. Przepisy normowe w czasie projektowania systemowego budownictwa prefabrykowanego zapewniają takŝe obecnie bezpieczeństwo konstrukcji w zakresie stanów granicznych nośności i uŝytkowalności, jak równieŝ wymaganą odporność na lokalne uszkodzenia spowodowane oddziaływaniami wyjątkowymi [6,8,9]. Potwierdza to takŝe prowadzony przez ITB od 35 lat rejestr, z którego wynika, iŝ liczba awarii budowlanych w budownictwie wielkopłytowym, odniesiona do liczby mieszkań zbudowanych w tej technologii nie odbiega od analogicznego stosunku awarii budynków zbudowanych w innych technologiach [9,20]. Przystępując do analizy problemu bezpieczeństwa eksploatacyjnego 1 budynków prefabrykowanych naleŝy mieć świadomość tego, Ŝe ich stan techniczny jest zróŝnicowany. Mamy bowiem do czynienia z budynkami, które są w dobrym stanie technicznym oraz z budynkami, w których występują wady budowlane obniŝające ich standard uŝytkowania [7,11,19,20,22]. Część z nich została wykonana niezgodnie z wymaganiami projektowo-technologicznymi, które spowodowały obniŝenie ich trwałości, a niekiedy doprowadziły do stanu lokalnego zagroŝenia bezpieczeństwa [6,12,16,17,21]. Ilość budynków dobrych i złych jest trudna do ustalenia, a analiza badań in situ [11,13] wykazała, Ŝe stopień i zakres uszkodzeń zaleŝy bezsprzecznie od jakości wykonanego montaŝu. Dlatego moŝna przyjąć, Ŝe w polskich zasobach mieszkalnych z wielkiej płyty istnieją budynki bez uszkodzeń, jak równieŝ budynki o róŝnej (znacznej) liczbie uszkodzonych złączy. 2. Identyfikacja uszkodzeń występujących w budynkach wielkopłytowych Uszkodzenia występujące we wszystkich typach budynków wzniesionych metodami uprzemysłowionymi moŝna podzielić na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią te, które są bardzo zbliŝone lub analogiczne do uszkodzeń występujących w budownictwie tradycyjnym i występują one najczęściej w elementach wykonywanych w miejscu wbudowania (np. ścianki działowe, wyprawy tynkarskie). Z kolei do drugiej grupy naleŝą te uszkodzenia, które wynikają ze specyfiki budownictwa uprzemysłowionego, a szczególnie z jakości produkcji i montaŝu elementów. Są to uszkodzenia występujące w samych elementach, oraz w obszarach ich zamocowań czyli w tzw. złączach. Przy ocenie bezpieczeństwa konstrukcji podstawowe znaczenia ma ustalenie, czy zaistniałe uszkodzenie (najczęściej rysa) jest ustabilizowane, czy teŝ jego natęŝenie wzrasta w czasie [7,10,11,14]. Analiza jego rozwoju stanowi jeden z podstawowych elementów umoŝliwiających zastosowanie właściwych sposobów napraw, zapewniających bezpieczeństwo i trwałość konstrukcji budynku. Ocena uszkodzenia powinna więc ustalać, czy jest ono wadą wykonawczą, czy jest to lokalne przeciąŝenie jednego lub kilku elementów konstrukcji. Jest ona o tyle waŝna, poniewaŝ jej ocena pozwala na wyeliminowania nie tylko skutków, ale przede wszystkim przyczyny powstania tego uszkodzenia. 3. Charakterystyka uszkodzeń w świetle badań in situ Podczas prowadzenia w latach obserwacji obiektów zlokalizowanych na terenie miasta Krakowa i regionu poddano analizie wielorodzinne budynki mieszkalne wykonane w technologii wielkopłytowej. Budynki te zostały wykonane w systemach W-70 i Wk-70 w latach , występowały w zabudowie wolnostojącej, posiadały od 4-rech do 12-tu kon- 1 bezpieczeństwo eksploatacyjne rozumiane jako czynniki wpływające na obniŝenie trwałości i standardu uŝytkowania budynku. 742

3 dygnacji i złoŝone były z jednego do sześciu oddylatowanych od siebie segmentów. Podczas badań wyodrębniono typowe uszkodzenia, których ocena i analiza pozwoliły na ustalenie prawdopodobnych przyczyn ich powstania. Uszkodzenia występujące na zewnątrz budynku: Do charakterystycznych uszkodzeń moŝna zaliczyć zarysowania warstwy fakturowej, których przebieg i lokalizacja były zróŝnicowane. Występowały one na powierzchni elementu, rzadziej w okolicy złącza, a ich rozwartość kształtowała się na poziomie 0,5-3,0 mm (rys. 1a). Stwierdzono takŝe nieprawidłowe usytuowanie w płaszczyźnie elementu wskutek wadliwego montaŝu (rys. 1b), które najczęściej występowało jednocześnie w złączach poziomych i pionowych (tzw. skoszenie elementu). Przemieszczenia te kształtowały się na poziomie od 2-4 cm. Uszkodzenia elementu polegające na wykruszeniu warstwy fakturowej występowały średnio w co trzecim, bądź czwartym elemencie i najczęściej rejestrowane były na naroŝach płyt (rys. 1c,d). Zdarzały się takŝe przypadki wystąpienia takich uszkodzeń w środku elementu. a c b d Rys.1. Przykłady uszkodzeń elementów wielkopłytowych zinwentaryzowanych od zewnątrz budynku: a,c,d) uszkodzenia warstwy fakturowej, b) wychylenie płyt ZWS wskutek nieprawidłowego montaŝu Uszkodzenia występujące wewnątrz budynku: Do grupy tych uszkodzeń zakwalifikowano rysy występujące w złączach płyt ściennych i stropowych oraz na styku ściany ze stropem. W złączach pionowych występowały one na styku prefabrykatu i złącza lub w jego naroŝu, a lokalnie stwierdzono destrukcję samego złącza (rys. 2a-c). W górnych naroŝach ściany i stropu rejestrowano takŝe uszkodzenia, które świadczyły o wadach eksploatacyjnych zatynkowanie lub zabetonowanie szczeliny pomiędzy ścianą ZWO i stropem S (rys. 2d,e). Wszystkie te przypadki pozwalają na uogólnienie charakterystyk rys w złączach, które są skutkiem przede wszystkim wad wykonawstwa. 743

4 a b c d e Rys.2. Przykłady zinwentaryzowanych uszkodzeń wewnątrz budynku: a,b,c) zarysowania i destrukcja w złączach ZWO-W-ZWO, d) zarysowanie tynku w złączu ZWO-S-ZWO, e) uszkodzenie wywołane wadliwą naprawą (zabetonowaniem) szczeliny pod stropem W złączach ZWO-W-ZWO zarysowania występowały: na jednej kondygnacji, bądź teŝ jako ciągłe na kilku kondygnacjach lub na całej wysokości budynku. Ich rozwarcie wynosiło od około 0,5 mm w poziomie parteru i zwiększała się do około 1,5 mm na ostatniej kondygnacji, a lokalnie wynosiło nawet 2-5 mm (rys. 2a-c). Rysy te w większości przypadków przebiegały w płaszczyźnie styku prefabrykatu i złącza, a takŝe w samych złączach. Nie stwierdzono istotnej prawidłowości w występowaniu rys na wysokości jednej kondygnacji, gdyŝ występowały one losowo na róŝnych kondygnacjach. Zawsze jednak połączone one były z niedokładnym zabetonowaniem złącza, a ich nasilenie było większe w nieocieplanych budynkach. W złączach ZWS-ZWO i ZWO-W-ZWS występujących w naroŝach skrajnych sekcji i w wewnętrznych naroŝach budynków z uskokami, zaobserwowano większą częstość występowania rys w naroŝach południowych, niŝ w naroŝach północnych. Najczęściej ich rozwarcia nie przekraczały 0,5 mm. Jednak w kilku przypadkach zarejestrowano rysy o rozwartości powyŝej 2 mm, które są skutkiem odkształceń termicznych i wad wykonawstwa (rys. 2b). W złączach ZWS-ZWS i W-W rysy występowały z reguły na całej wysokości kondygnacji, wzdłuŝ obu styków złącza i prefabrykatu. Ich rozwarcia wynosiły maksymalnie 0,5 mm. W złączach tych nie stwierdzono wadliwego wykonawstwa, a morfologia rys wykazuje, Ŝe są one skutkiem odkształceń skurczowych betonu i niedostatecznej jego przyczepności w płaszczyźnie styku. W złączach ZWO-S-ZWO pojawiające się uszkodzenia były konsekwencją przekazania obciąŝenia z płyty stropowej S na górną krawędź warstwy nośnej ściany ZWO (rys. 2e). W takich przypadkach szczelina między górną krawędzią ściany ZWO i dolną powierzchnią płyty stropowej S była wypełniona zaprawą cementową. Występowały równieŝ przypadki wypełnienia tej szczeliny metodą iniekcji wykonanej, w wyniku zaleceń rzeczoznawców, w celu zlikwidowania widocznych rys tynku wzdłuŝ styku ściany ZWO ze stropem (rys.2 d). Niestety efekt takiego postępowania był odmienny od oczekiwanego. 744

5 4. Spotykane działania naprawcze Na podstawie badań własnych autorów oraz opisywanych w literaturze przedmiotu [8,10,11,12,14,15,18] w większości przypadków prace naprawcze ograniczają się do drobnych poprawek podczas remontów bieŝących, ale incydentalnie istnieje konieczność powaŝniejszych napraw związanych z wadami wykonawczymi. Wszystkie one powinny być poprzedzone oceną dokonaną przez osoby posiadające do tego odpowiednie kwalifikacje z uwzględnieniem specyfiki konstrukcji systemu wielkopłytowego. Istotne jest to szczególnie w momencie zastosowania nowych materiałów i technologii remontowo-naprawczych. Prowadzona ocena stanu technicznego budynków wielkopłytowych ujawniła liczne próby napraw uszkodzeń w złączach (rys. 3a-c). Niestety niektóre zbadane sposoby napraw wskazują, iŝ zostały one wykonane bez znajomości specyfiki konstrukcji budynków wielkopłytowych, jak równieŝ świadczą o podstawowych błędach technicznych (rys. 3b,c). W konsekwencji nie przyniosły one oczekiwanych rezultatów, a jedynie podniosły koszty remontów poprzez konieczność wykonania kolejnych napraw. Przemieszczenia w złączach mogą prowadzić równieŝ do uszkodzenia ocieplenia (rys. 3d,e). a b c zarysowanie pionowe na syku elementów d e Rys.3. Przykłady napraw uszkodzeń: a-c) zinwentaryzowane sposoby wzmocnienia złącz ZWO-W-ZWO, d,e) uszkodzenia ocieplenia BSO wskutek przemieszczeń w złączach 5. Analizy numeryczne Przeprowadzona inwentaryzacja uszkodzeń w złączach umoŝliwiła wyselekcjonowanie wad wykonawczo-montaŝowych, które moŝna uwzględnić przy modelowaniu warunków brzegowych dla ściennych elementów wielkopłytowych ZWO. Przy doborze schematów wykorzystano zarówno literaturę przedmiotu [10,12,16,17,18,20], jak równieŝ dane zebrane podczas prowadzonych badań. W modelowaniu pracy elementu uwzględniono zarówno wady wykonawcze jak i sposoby jego napraw i wzmocnień. 745

6 Na rysunku 4 przedstawiono przykład wyników analizy numerycznej elementu warstwowej ściany ZWO. W przyjętym modelu obliczeniowym załoŝono warunki brzegowe uwzględniające zbadane wady wykonawcze (brak wieńca) oraz eksploatacyjne (dodatkowe obciąŝenie spowodowane obciąŝeniem stałym i uŝytkowym wskutek wykonania iniekcji szczeliny dylatacyjnej pod stropem). O 8 O 4,5 2 O 12 a) b) c) d) e) f) Rys.4. Przykład modelowania elementu ZWO o rozpiętości 600 cm obciąŝonego dodatkowo reakcją od stropu przekazywaną na wolną krawędź elementu w przypadku zabetonowania szczeliny dylatacyjnej pod stropem: a) układ zbrojenia, b) przyjęty schemat statyczny warstwy nośnej - oddylatowanie złącz pionowych oraz brak wypełnienia betonem złącza poziomego (brak podparcia dolnej krawędzi elementu), c) mapa maksymalnych napręŝeń na kierunku poziomym d) przykładowe uszkodzenia e)mapa maksymalnych napręŝeń na kierunku pionowym, f) przykładowe uszkodzenia Wyniki analiz numerycznych podanego przykładu oraz innych badanych przypadków wskazują, Ŝe stan obliczonych maksymalnych napręŝeń zadowalająco odwzorowuje obszary zinwentaryzowanych uszkodzeń (rys. 4d,e). MoŜna zatem oczekiwać, Ŝe taki sposób podejścia umoŝliwi identyfikację wad wykonawczych tylko na podstawie inwentaryzacji makroskopowej uszkodzeń, bez konieczności wykonywania badań odkrywkowych. W zamierzeniach autorów jest opracowanie zasad, które pozwolą na ustalenie przyczyn powstawania uszkodzeń, bez konieczności działań inwazyjnych w mieszkaniach, a jednocześnie umoŝliwią one zastosowanie właściwych sposobów napraw i wzmocnień. 746

7 6. Podsumowanie Przedstawiona charakterystyka uszkodzeń ilustruje zakres i jakościowy problem uszkodzeń występujących w budynkach wielkopłytowych. Rysy o niewielkiej rozwartości (do 0,5 mm) występujące w złączach i poza złączami są charakterystyczne w budynkach prefabrykowanych i jeŝeli są one ustabilizowane, to nie wymagają nagłych napraw, a mogą one być zlikwidowane w czasie okresowej konserwacji. Rysy o większych rozwarciach (> 0,5 mm) na ogół sygnalizują przeciąŝenie elementów i wymagają napraw. Inwentaryzacja uszkodzeń wewnątrz budynku, prowadzona przez autorów wskazuje, Ŝe identyfikacja stanu technicznego budynku powinny obejmować nie tylko stan zachowania warstwy fakturowej ścian zewnętrznych, jak to przewidują instrukcje ITB [23,24], ale równieŝ stan ich warstwy nośnej, a przede wszystkim złączy. Autorzy artykułu wskazują na konieczność stworzenia numerycznej metody identyfikacji przyczyn występujących uszkodzeń, która w znacznym stopniu moŝe ograniczać inwazyjne metody badań. Pozwoli ona jednocześnie na dokonywanie oceny rodzaju uszkodzeń w badanych złączach, a w konsekwencji na dobór odpowiednich sposobów napraw i wzmocnień zapewniających bezpieczeństwo i trwałość budynku. Omawiana tematyka ujawniła równieŝ potrzebę ujednolicenia zasad oceny stanu technicznego oraz inwentaryzacji budynków wielkopłytowych. Stworzenie jednolitej metody do diagnozowania uszkodzeń pojawiających się przede wszystkim wewnątrz budynków pozwoliłoby równieŝ na eliminacje podstawowych błędów popełnianych juŝ na etapie projektowania napraw i wzmocnień. Literatura 1. Brunarski L. A., Wierzbicki St. M. (red.): MoŜliwości techniczne modernizacji budynków wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu, Konferencja Naukowo-Techniczna ITB, Mrągowo Dębowski J.: Budynki wielkopłytowe. Potrzeba wczoraj problemem jutra, VI Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy projektowe w kontekście nowych technologii budowlanych, Kraków Lewicki B.: Budynki mieszkalne z prefabrykatów wielkowymiarowych, Arkady, Warszawa Lewicki B. i współautorzy: Budynki wznoszone metodami uprzemysłowionymi, Arkady, Warszawa Lewicki B.: Konstrukcje budynków z prefabrykatów wielkopłytowych zasady projektowania z przykładami obliczeń, Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy, Warszawa Lewicki B.: Bezpieczeństwo konstrukcji istniejących budynków wielkopłytowych, InŜynieria i Budownictwo 3/ Lewicki B.: Rysy w ścianach i stropach budynków wielkopłytowych, Prace Instytutu Techniki Budowlanej, Kwartalnik nr 2-3, Warszawa Lewicki B.: Metodyka oceny stanu technicznego konstrukcji budynków wielkopłytowych, Instrukcja 371/ Lewicki B., Zieliński J. W., Cholewicki A., Kawulok M.: Bezpieczeństwo konstrukcji istniejących budynków wielkopłytowych i moŝliwości ich modernizacji, w: MoŜliwości techniczne modernizacji budynków wielkopłytowych na tle ich aktualnego stanu, Konferencja Naukowo-Techniczna ITB, Mrągowo

8 10. Ligęza W., Płachecki M.: Analiza uszkodzeń i moŝliwości wzmacniania budynków wielkopłytowych, V konferencja Warsztat pracy rzeczoznawcy budowlanego, Kielce- Ameliówka Ligęza W., Płachecki M.: Uszkodzenia złączy w ścianach osłonowych budynków wielkopłytowych, InŜynieria i Budownictwo 4-5/ Ligęza W., Płachecki M.: Stan zagroŝenia i jego likwidacja w konstrukcji budynku wielkopłytowego, InŜynieria i Budownictwo 5/ Ligęza W., Płachecki M.: Stan techniczny konstrukcji budynków wielkopłytowych a ich termomodernizacja, w: Budownictwo i InŜynieria Środowiska 32, Zeszyty Naukowe Nr 235, ATR w Bydgoszczy, Bydgoszcz Ligęza W.: Naprawa i wzmacnianie budynków z wielkiej płyty, XXI Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, t. II, Ustroń Ligęza W., Dębowski J.: Termorenowacja budynków wielkopłytowych w świetle ich aktualnego stanu konstrukcji, Czasopismo Techniczne, Budownictwo z.5-b/ Orłowski Z., Stackiewicz R.: Błędy wykonawcze przyczyną awarii budynku mieszkalnego, Konferencja Naukowo-Techniczna Technologia w budownictwie, Wrocław Polanica Zdrój Pająk Z., Jóźwiak I. Buczek T.: Awaryjny stan konstrukcji budynków systemu W-70, Przegląd Budowlany 3/ Płachecki M., Ślaga T.: Analiza uszkodzeń ścian osłonowych w budynkach wielkopłytowych systemu W-70 z uwzględnieniem wad wykonawstwa, niepublikowane prace Zakładu Konstrukcji śelbetowych IMiKB Politechniki Krakowskiej, Kraków Płoński Wł.: Problemy trwałości i termomodernizacji budynków wielkopłytowych, Przegląd Budowlany 6/ Runkiewicz Wł.: Błędy i uszkodzenia w budownictwie wielkopłytowym, w: Błędy i uszkodzenia budowlane oraz ich usuwanie, WEKA, Warszawa Ruppert J., Ligęza W.: Awarie konstrukcji budynków realizowanych w systemie Wk-70, InŜynieria i Budownictwo 1/ Starosolski Wł.: Wady przegród zewnętrznych budynków (orzeczenia techniczne), Przegląd Budowlany 3/ Ściślewski Z., Woyzbun I., Wójtowicz M.: Badania i ocena betonowych płyt warstwowych w budynkach mieszkalnych, Instrukcja ITB 360/ Woyzbun I., Wójtowicz M., Konieczny K.: Metodyka oceny stanu technicznego wielkopłytowych warstwowych ścian zewnętrznych. Dodatkowe połączenia warstwy fakturowej z warstwą konstrukcyjną wielkopłytowych ścian zewnętrznych, Instrukcja ITB 374/